《太阳能电池基础与应用》有机太阳能电池基本理论知识-第一部分

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有机半导体材料-能级
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有机半导体能带的形成
HOMO和LUMO分别指最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital）和最低未占分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）。 根据前线轨道理论，两者统称前线轨道。HOMO与LUMO之间的能量差称为“能 带隙”，这个能量差即称为HOMO-LUMO能级，有时可以用来衡量一个分子是否 容易被激发，带隙越小，分子越容易被激发。
OO
F O
S
S O
S
S
n
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有机太阳能电池工作过程
广泛的讲有机太阳能电池主要是利用有机小分子或有机高聚物来直接或 间接将太阳能转变为电能的器件。
• 光吸收，产生激子并扩散 • 激子分离 • 载流子传输 • 载流子收集
有机太阳能电池材料：根据电荷的传输 • 有机空穴传输材料（P型,电子给体简称为D，即Donor） • 有机电子传输材料（N 型，电子受体，简称为A，即Acceptor）
四羧基苝 PV (n‐type)
1% PCE
利用p型和n型有机小分子材料材料形成p-n结，获得了1%的光电转换效
率的有机太阳能电池，被认为是有机光伏领域里程碑式的贡献。 2
C. W. Tang et al., Appl. Phys. Lett. 48, 183 (1986).
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给体和受体之间的能量转移
小分子有机半导体（芬香碳氢化合物）包括多环芬香化合物并五苯，蒽和红莹烯。 高分子有机半导体 包括高3-已基噻吩，高P-次苯基次亚乙烯基及聚乙炔和它们的派生物。
小分子有机 半导体
高分子有机 半导体
P3HT
C60
PC60BM
PTCBI
MEH‐PPV
O
O
F O
S
S O
S
S
n
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PTB7
有机半导体材料
π键是有机半导体的基础
Tang, C. W.; Vanslyke, S. A. (1987). "Organic electroluminescent diodes". Applied Physics Letters 51 (12): 913.
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有机发光二极管的应用
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有机太阳能电池的研究历史
肖特基结太阳能电池 Al, Mg, Ca
新型薄膜太阳能电池
1. 有机太阳能电池 (6) 2 染料敏化太阳能电池 (2) 3.钙钛矿太阳能电池 (4) 4.量子点太阳能电池及其它新型太阳能电池(3) 5.答疑及考试(1+2)
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无机半导体知识回顾
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无机半导体知识回顾
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无机半导体知识回顾
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有机材料
有机物的概念
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有机材料
常见的有机物及其官能团
邓青云博士目前的研究工作包括：有机光电器件 研究；有机-金属和有机-有机异质结研究；有机发 光显示技术的应用研究等
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有机发光二极管的发现
伟大的发现源于偶然
OLED的研究产生起源于一个偶然的发现。1979年的一天晚上，在Kodak公司 从事科研工作的华裔科学家邓青云博士（Dr.C.W.Tang）在回家的路上忽然想起有东 西忘记在实验室里，回去以后，他发现黑暗中有个亮的东西。打开灯发现原来是一块 做实验的有机蓄电池在发光。这是怎么回事？OLED研究就此开始，邓博士由此也被称 为OLED之父。
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体异质结太阳能电池概念的提出
平面结构
体异质结结构
思考题：如果是相同材料体系，比较平面结构和体异质结器件的开压，
电流以及填充因子。
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有机太阳能电池的分类
电池类型
平面/体异质结 蒸镀小分子太 阳能电池
体异质结 溶液法小分子 太阳能电池
给体 (Donor)
受体 (Acceptor)
体异质结 溶液法聚合物 太阳能电池
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有机半导体导电机制
共轭分子：它们的双键和单键是相互交替排列的。如果双键被两个以上单 键所隔开，则称非共轭分子。如果共轭烯烃分子的碳链首尾相连接，则生 成环状共轭多烯烃。
双键
单键
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有机半导体导电机制
具有非局域电子系统的有机化合物，共轭有机材料所体现出来的优异的光电 性能能是与其共轭结构中的电子状态紧密相关的。
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有机太阳能电池工作过程
(1) Absorption (ηA) (2) Exciton Dissociation (ηED) (3) Charge Transfer (ηCT) (4) Charge Collection (ηCC)
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有机电池结构（按电荷传输层）
正型结构
Al
ETL (Ca)
Bulk hetero‐ junction
HTL (PEDOT:PSS) ITO/Glass
能级排布
电子
给体 受体
ITO PEDOT:PSS 空穴 阳极
Ca Al 阴极
p‐型传输层: PEDOT:PSS, MoO3, V2O5 and NiO et al. n‐型传输层: ZnO, TiO2, polyeltr 反型结构较正型结构具有更好的稳定性。
1987年美国Kodak公司研究实验室C.W.Tang（华裔科学家邓青云博士）等用有机 小分子薄膜材料研制成有机发光二极管(OLED), 同一时期，他也发明了有机太阳 能电池(OPV)。
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导电有机高分子的发现
1976年，白川英树、Heeger和MacDiarmid研究发现，聚乙炔经过搀杂后可从 绝缘体变为铜一样的导体。导电高分子材料的出现，从此开创了高分子领域 一个新的天地，他们三人也因此获得了2000年诺贝尔化学奖。
1974年日本科学家白川英树等人首次聚合成聚乙炔薄膜，为绝缘体。
1977年美国宾州大学，白川英树等人，通过掺杂使聚乙炔薄膜成为良导体，从 而出现了导电聚合物，可与铜媲美。
1986年Tsumura 等人首次应用聚噻吩有机半导体材料作为有源层制备得到 OFET。当 时得到的器件载流子迁移率只有 2×10-5cm2/V·s，但自此揭开了 OFET 的研究热潮。
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有机材料
原子轨道概念
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有机材料
有机材料电子特性
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有机材料
Sp3杂化
Sp2杂化‐ sigma bond
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有机半导体的概念
有机半导体（Organic semiconductor）是具有半导体性质的有机材料。单分子，短键 （低聚物）和有机高聚物，可以是半导体。有机半导体典型载流子是π-键中的空穴和电 子。在π-键结合系统中，电子可通过电子云重叠，特别是跃迁，隧道和有关机构移动。
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有机电池结构（按电荷传输层）
反型稳定结构
电子
阴极
Au(Ag)
HTL (MoO3)
Bulk hetero‐ junction
ETL (ZnO, PFN) ITO/Glass
ITO
ZnO
受体
给体
空穴
MoO3 Au/Ag/Al 阳极
J.B. You et al., Adv. Mater. 24, 5267 (2012) .
材料设计 电荷分离与传输
界面工程 形貌优化
三元体系 叠层结构
L. Y. Lu and L. P. Yu et al., Chem. Rev., 115,12666 (2015).
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Thanks for your attention!
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Organic electronic material
ITO (Metal)
200 mV Voc
肖特基电池是最早期的有机太阳能电池，即在真空条件下把有机半导体染料如酞 菁等蒸镀在基板上形成夹心式单层结构。对于肖特基型电池而言光激发形成的激 子， 在肖特基结的扩散层内被节区的电场驱使下实现正负电荷分离；在器件中其 它位置上形成的激子，必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献，而有 机染料内 激子的迁移距离相当有限，通常<10nm，因此大多数激子在分离成电子 和空穴之前就发生了复合，导致该类器件的光电转换效率较低。
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有机半导体应用-光电器件
发明了有机发光二极管和 有机太阳能电池
邓青云（Ching W. Tang），现任美国罗切斯特 大学化学工程系、化学系、物理天文学系“Doris Johns Cherry”教授。1947年出生于香港，于1970 年在英属哥伦比亚大学获化学理学士学位，于1975 年在康奈尔大学获物理化学博士学位。此后，他加 入美国柯达公司研发部作为一名研究科学家，一直 从事有机半导体材料和器件研究。2006年，邓青云 博士因为其在有机发光二极管和异质结有机太阳能 电池上取 得的开创性成就而被选为美国工程院院士。 现任美国物理学会会员，美国信息显示学会的会员。 曾获美国柯达公司“杰出发明人”称号，并曾获美 国柯达、美国信息 显示学会、美国化学学会、罗切 斯特知识产权法协会的多个奖项。邓青云博士于 1987 年 发 明 的 有 机 发 光 显 示 技 术 (Organic Light Emitting Display，OLED)，是继阴极射线管（CRT） 技术和液晶显示（LCD）技术之后的第三代显示技术 的代表，在短短的十几年内得到了业界的广泛认 可， 被认为是“人类最理想的显示技术”。邓教授因此 而被尊称为“OLED之父”。
D. Kearns et al., J.Chem.Phys. 29, 950‐951 (1958);
A. K. Ghosh et al., J.Appl.Phys. 45,230‐236 (1974).
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p-n异质结有机太阳能电池概念提出
1% PCE OPV
ITO/CuPc/PV/Ag
铜酞菁 CuPc (p‐type)